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Formation des systèmes stellaires et planétaires

Conditions d'apparition de la vie

ACADÉMIE EUROPÉENNE INTERDISCIPLINAIRE DES SCIENCES

INTERDISCIPLINARY EUROPEAN ACADEMY OF SCIENCES

ACADÉMIE EUROPÉENNE INTERDISCIPLINAIRE DES SCIENCES

INTERDISCIPLINARY EUROPEAN ACADEMY OF SCIENCES

FORMATION DES SYSTÈMES STELLAIRES ET PLANÉTAIRES

CONDITIONS D'APPARITION DE LA VIE

FORMATION DES SYSTÈMES STELLAIRES

ET PLANÉTAIRES

CONDITIONS D'APPARITION DE LA VIE

Éditeurs

Gilbert Belaubre,

Ernesto Di Mauro,

Victor Mastrangelo,

Pierre Nabet,

Jean Schmets

Nicolas Prantzos (IAP), Patrick Hennebelle (ENS/Obs.-Paris), Alessandra Morbidelli (CNRS/Obs.-Nice),

Thérèse Encrenaz (LESIA/Obs.-Paris), Francis Albarède (ENS/Lyon), Louis Le Sergeant d'Hendecourt (IAS/UPS),

Sylvie Derenne (METIS/CNRS/UPMC), François Robert (MNHM-Paris), Valentine Wakelam (Obs.-Bordeaux),

Raaele Saladino (U. della Tuscia), Guiseppe Zaccaï (ILL/Grenoble), Emmanuelle Javaux (U. Liège),

Pierre Nabet (U. Nancy), Martine Ben Amar (LPS/ENS), Ernesto Di Mauro (U. Sapienza/Roma), Giovanna Tinetti (U. College/London), Jean-Pierre Bibring (IAS/UPS) et Jean-Pierre Trueil (AEIS)

Dans toutes les civilisations, l'Homme a été intrigué par son origine et celle de la vie. L'existence

d'autres " civilisations » est une interrogation qui se perd dans la nuit des temps et est fondamentale

pour l'humanité.

Cet ouvrage, dans la vision pluridisciplinaire de l'Académie, montre les progrès scientifiques qui

ont été réalisés grâce principalement à l'exploration spatiale, dans la compréhension de la formation

de notre Univers. Ces progrès sont vertigineux et, au fur et à mesure de la lecture de ce livre, on ne peut

que s'étonner des capacités de l'homme à comprendre cet Univers et à en restituer la connaissance

à tout un chacun.

Comment les systèmes planétaires se forment-ils et évoluent-ils ? Quelles sont les caractéristiques des

systèmes planétaires extrasolaires ? Quelles sont les conditions physico-chimiques et les processus à

l'origine de la vie ? Existe-t-il des traces de vie passée extraterrestre sur des planètes du système solaire ?

Quelles signature de vie pouvons-nous détecter dans les systèmes planétaires, les exoplanètes ?

Cet ouvrage présente un point de vue actuel et pluridisciplinaire sur ces interrogations.

Les travaux de l'Académie Européenne Interdisciplinaire des Sciences portent depuis plus de dix ans sur

les questions majeurs auxquelles est confrontée la recherche à la croisée de plusieurs disciplines. Cette

Collection présente les ouvrages issus de séminaires mensuels et de congrès/colloques bisannuels pluri-

-disciplinaires auxquels sont associés de nombreux chercheurs invités. Notre ambition est de faciliter les

échanges entre programmes de recherche spécialisés et d'informer un public plus large sur les avancées

récentes.

ISBN: 978-2-7598-1965-2

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Formation des systèmes

stellaires et planétaires

Conditions d'apparition

de la vie Académie Européenne Interdisciplinaire des Sciences

ISBN : 978-2-7598-1965-2

Cet ouvrage est publié en Open Access sous licence creative commons CC-BY-NC-ND (https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/.0/fr/) permettant l'utilisation non commerciale, la distribution, la reproduction du texte, sur n'importe quel support,

à condition de citer la source.

© AEIS, 2015

La collection

de l'AEIS Les travaux de l'Académie Européenne Interdisciplinaire des Sciences portent depuis plus de dix ans sur les questions majeures auxquelles est confrontée la recherche à la croisée de plusieurs disciplines. Et la présente collection a pour but de faire le point sur ces questions. Nos ouvrages sont issus de séminaires mensuels et de congrès bisannuels pluridisciplinaires auxquels sont associés de nombreux chercheurs extérieurs. Notre ambition est de faciliter les échanges entre programmes de recherche spécialisés. Elle est aussi d'informer un public plus large sur les avancées récentes. Pour chacun des ouvrages et en concertation avec les auteurs, un comité de lec- ture a pour tâche de coordonner l'ensemble des contributions conformément aux objectifs poursuivis, et d'en faire ressortir les lignes de force. Quatre ouvrages sont en préparation : L'irruption des géométries fractales, L'émergence, Théories et modèles en sciences sociales, Ondes, matières et univers. Les ouvrages de l'Académie recourront à deux formes de publication : le livre-pa- pier avec diffusion dans les bibliothèques des universités et des centres de recherche et en librairie, et/ou la version électronique en ligne dans la section e-Books du site de l'éditeur EDPSciences. FORMATION DES SYSTÈMES STELLAIRES ET PLANÉTAIRES CONDITIONS D'APPARITION DE LA VIE

Introduction 7

PREMIÈRE PARTIE

Formation des systèmes stellaires et planétaires

Présentation 17

Chapitre 1 : Nucléosynthèse stellaire 25 Chapitre 2 : Formation des étoiles de faible masse et des naines brunes 71 Chapitre 3 : Scénarios de formation des planètes géantes, leur évolution et leur impact sur la formation des planètes telluriques habitables 107 Chapitre 4 : Du Système solaire aux systèmes planétaires 119

Chapitre 5 : L'eau et la Lune 127

DEUXIÈME PARTIE

Les briques de la vie primitive et les environnements planétaires

Présentation 149

Chapitre 6 : Astrochimie galactique et l'apparition de la complexité moléculaire organique dans le milieu interstellaire 157 Chapitre 7 : Modèle de structure moléculaire de la matière organique insoluble isolée de la météorite de Murchison 173 Chapitre 8 : Modélisations chimiques du milieu interstellaire 197 Chapitre 9 : La chimie avant la vie Processus pré-biotiques et précurseurs chimiques élémentaires à l'origine de la vie 215

TROISIÈME PARTIE

Transition vers la vie primitive et diversité

Présentation 229

Chapitre 10 : H

2

O : première molécule de la vie 237

Chapitre 11 249

Chapitre 12 : Les organismes vivants extrêmophiles 259 Chapitre 13 : Morphogenèse et embryogenèse 265 Chapitre 14 : A propos de génération moléculaire spontanée 277

Table des matières

TABLE DES MATIÈRES

QUATRIÈME PARTIE

Recherche spatiale et signatures extraterrestres

Présentation 289

Chapitre 15 : La recherche de la vie dans l'Univers 295

Chapitre 16 : Planétologie galactique 303

Chapitre 17 : 1986-2014 L'exploration des comètes, renouveau du questionnement sur la diversité des Mondes 325

Pour conclure 343

Glossaire et Acronymes 349

Annexe 1 : Origine du rayonnement stellaire 351 Annexe 2 : Le deutérium, traceur de l'histoire de l'Univers, du Soleil et de la Terre 353 Annexe 3 : Liaisons électroniques. Leur caractère universel. L'importance capitale des liaisons faibles en biologie 363 Annexe 4 : La variété des astéroïdes du Système solaire 369

Remerciements 373

Présentation de l'Académie européenne interdisciplinaire des sciences 375 FORMATION DES SYSTÈMES STELLAIRES ET PLANÉTAIRES CONDITIONS D'APPARITION DE LA VIE

Introduction

L'Académie Européenne Interdisciplinaire des Sciences (en abrégé AEIS), son Pré- sident et le Comité des publications sont heureux de vous présenter ici le premier

volume de sa ligne de publication, conçu à partir du colloque organisé les 5 et 6 février

2014 et intitulé :

Formation des systèmes stellaires et planétaires

Conditions d'apparition de la vie

Ce livre, dans la vision pluridisciplinaire de l'Académie, montre les progrès compréhension de la formation de notre Univers. Ces progrès sont vertigineux et, au fur et à mesure de la lecture de ce livre, on ne peut que s'étonner des capacités de l'homme à comprendre cet univers et à en restituer la connaissance à tout un chacun. Dans un bref résumé de ces connaissances, rappelons maintenant la vision généra- lement acceptée de nos jours de la structure de cet univers.

Selon le modèle standard de l'univers, tout a commencé il y a 13,8 milliards d'années : plus

précisément au temps t = 10 -43 seconde après le Big Bang, le cosmos entre en expansion, il subit la transition de phase qui brise la symétrie originelle. La gravité devient libre et autonome. Elle règne depuis sur les étoiles, galaxies, amas, ou grandes structures ... 8 Parallèlement naît l'interaction électronucléaire qui assujettit les particules.

Au temps t = 10

-35 seconde après le Big Bang, l'interaction forte se sépare à son tour. Les particules primordiales se scindent en quarks et en électrons : particules

élémentaires. À un cent-milliardième de seconde : la force nucléaire faible se sépare à son

tour de l'interaction électromagnétique. Les quatre forces fondamentales de la nature sont désormais en place. Au premier cent-millième de seconde, protons et neutrons se forment ... Ces objets sont assemblés à partir de trois quarks chacun. Trois minutes après le Big Bang, la formation des premiers noyaux d'atomes légers s'enclenche. Toute la matière visible du cosmos remonte à cette époque. Après 380 000 ans environ, les noyaux capturent les électrons pour former les atomes, époque à laquelle il y a découplage entre la matière et le rayonnement. L'univers devient transparent pour les photons présents qui, libérés, peuvent voyager jusqu'à nous. L'univers est ensuite façonné par la gravitation. Le soleil et ses planètes sont apparus en même temps alors que notre galaxie avait déjà

8 milliards d'années.

Au temps t 4,56 Ga, formation des planètes du Système solaire ; Au temps t 4,4 Ga, l'eau d'abord en phase vapeur autour de la Terre, se condense et forme les océans ; Au temps t 3,9 Ga, la Terre subit un dernier gigantesque cataclysme, un déluge de météorites ; on estime à près de 22 000 le nombre de cratères datant de cette époque ; Au temps t compris entre 3,8-3,5 Ga, premières traces d'activité biolo- gique supposée ; En 1995 fut détectée, de manière indirecte à partir d'observations faites à l'Observatoire de Haute Provence, la première planète géante extrasolaire en orbite autour d'une étoile comparable au Soleil ; certaines expriment la présence d'eau.

Rosetta-Philae, sur la comète " Tchouri

1 », ou encore avec les résultats apportés par les

1 67P/Tchourioumov-Guérassimenko

9 FORMATION DES SYSTÈMES STELLAIRES ET PLANÉTAIRES CONDITIONS D'APPARITION DE LA VIE Mais cette histoire, qui semble bien linéaire a priori, est loin d'être aussi simple et, par exemple, on a cru que l'expansion de l'univers correspondait à un ralentissement de la vitesse des galaxies. Des mesures récentes montrent qu'au contraire, elles accélèrent, et ceci suppose physiquement l'existence d'une autre matière (matière noire) et une autre énergie (énergie noire), que celles que nous connaissons actuellement. Nous ne désespé- rons pas de devoir vous présenter un autre livre sur ces mêmes thèmes, dans quelques années. Quoi qu'il en soit, dans tout le livre présenté ici, l'idée de la recherche sur la vie est présente. En effet, dans toutes les civilisations, l'homme a été intrigué par son origine et celle de la vie. L'existence d'autres " civilisations » est une interrogation qui se perd dans la nuit des temps et est fondamentale pour l'humanité. La question de la vie est formulée de manière très différente selon les époques. Pour les philosophes grecs, la vie est éternelle et apparaît spontanément chaque fois que les conditions sont propices. Avec Aristote, la génération spontanée devient une e siècle, époque à laquelle bablement au poids culturel de la notion de vie. Cette recherche est aujourd'hui déclinée Comment les systèmes planétaires se forment-ils et évoluent-ils ? Quelles sont les caractéristiques des systèmes planétaires extrasolaires ? Quelles sont les conditions phy-

sico-chimiques et les processus à l'origine de la vie ? Existe-t-il des traces de vie passée ex-

traterrestre sur des planètes du Système solaire ? Quelles signatures de vie pouvons-nous détecter dans les systèmes planétaires, les exoplanètes ? Ce volume a pour but de livrer un point de vue actuel et pluridisciplinaire sur ces interrogations. Les questions liées au thème de ce volume sont si universelles que des livre paru en 1944 " Qu'est-ce que la vie ? » dans lequel il énonce les principes de Prix Nobel de Physiologie ou Médecine 1937, qui s'intéressait à la biologie du cancer, développa l'idée selon laquelle tous les phénomènes physiques de la nature étaient en oeuvre dans le vivant. Plus près de nous un physicien de grande stature également est moins cité : il s'agit du physicien français Alfred Kastler, Prix Nobel de Physique en 1966, qui a écrit lui aussi un petit livre intitulé " Cette Etrange Matière », paru aux éditions Stock en

1976. On aimerait citer ses pensées très inspiratrices et prémonitoires livrées dans

ce document. 10

" ... je suis convaincu que la matière de la vie peut être comprise à partir des lois de la phy-

sique, mais à une condition, de penser ces lois dans leur totalité, et d'introduire en biologie égale-

ment le concept de complémentarité. La nature ondulatoire de la matière jouerait-elle de même

un rôle dans l'établissement de l'ordre biologique ? Je ne saurais répondre à cette question,

mais je pense qu'elle mérite d'être posée.

L'analogie (peut-être purement formelle) entre l'évolution d'un être vivant et le comportement

d'un système physique à structure dissipative nous incite à poser cette question. » C'était déjà la démarche qui avait été suivie lors du colloque de l'AEIS en 2009 " Perspectives des approches expérimentales et théoriques de l'évolution ». La question que l'on peut se poser est la suivante : comment est-on arrivé, par le seul jeu d'arrangements de trois particules élémentaires principalement gérés par les quatre interactions fondamentales, en moins de 14 milliards d'années, à une telle richesse et diversité de la nature ? historique, philosophique et épistémologique. D'un point de vue historique, le problème des origines des systèmes planétaires et complexes et ambigus.

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Par exemple, le Professeur Christophe Malaterre, lors du colloque de l'AEIS en 2008 " EMERGENCES : de la fascination à la compréhension » pose la question suivante : la vie est-elle un phénomène émergent ? mesure où elles associent une composante fondamentale, l'étude de lois universelles de la physique et de la chimie, et une approche historique qui cherche à déterminer ce qui s'est effectivement produit dans le passé. Une théorie sur l'origine de la vie n'est pas, par exemple, de même nature qu'une théorie physique. Si l'on veut parler d'apparition de la vie, il semble important d'avoir, comme nous l'avons dit un peu une gageure. Cependant, Jacques Monod dans son livre " Le hasard et la nécessité » paru en 1970, pour aborder ce vaste problème, suppose l'arrivée sur terre d'un explorateur

venant d'une planète inconnue qui s'essaie à déterminer les caractéristiques nécessaires et

11 FORMATION DES SYSTÈMES STELLAIRES ET PLANÉTAIRES CONDITIONS D'APPARITION DE LA VIE qui, si elles existent ensemble et simultanément, permettraient, selon lui, d'assurer que la

structure examinée appartient au règne vivant. Ces propriétés sont les suivantes : invariance

reproductive, morphogenèse autonome et téléonomie. Ce dernier terme a provoqué bien des discussions qui ne sont pas éteintes et Jacques Monod lui-même s'en est expliqué.

venaient de présenter les communications recueillies dans ce volume, une seule réponse a été

donnée, celle que donne la NASA : " est vivant ce qui répond complètement au Darwinisme ».

complètement au Darwinisme, il ne fera aucun doute qu'il s'agit d'une structure vivante. Mais il est évident que cette étude risque bien de demander des années, et peut-être des car on ne peut écarter l'hypothèse d'une vie très différente apparue ailleurs. Alors, que doit faire l'explorateur de Jacques Monod ? d'Ernesto Di Mauro. Pour cette raison, nous recommanderions volontiers au lecteur traité dans ce volume : les recherches actuelles sur les conditions et les lieux d'appari- tion de la vie. Problème éminemment pluridisciplinaire qui nécessite un dialogue entre physiciens et biologistes. Ces aspects sont repris dans la partie " Pour conclure » de l'ouvrage. Ce livre propose la notion d'un continuum existant entre le Big Bang, la formation des étoiles et des planètes, et l'apparition de la vie dans une vision darwinienne de la nature. La première partie présente la nucléosynthèse des éléments et la formation des ga- laxies, des étoiles, des planètes et autres présences de matière dans l'espace ; On y trouve d'abord le chapitre écrit par Nicolas Prantzos, chapitre qui décrit la for- mation des éléments minéraux et organiques dans le cosmos au cours de la genèse de la matière et en particulier le Carbone, l'Hydrogène, l'Oxygène et l'Azote.

Mais aussi les éléments plus lourds avec les fréquences liées à leur stabilité atomique.

On parcourt ensuite dans le chapitre de Patrick Hennebelle la formation des étoiles, leur diversité selon leur masse qui conditionne leur durée d'existence, puis, dans celui d'Alessandro Morbidelli, on découvre la variété immense des systèmes planétaires qui donne un statut marginal à notre Système solaire, et on admire les travaux de simulation Ensuite vient l'étude du Système solaire, de son évolution de la première création

de deux planètes géantes qui ont laissé la place à la formation de planètes dites " tellu-

riques », chapitre écrit par Thérèse Encrenaz qui se conclut par une brève histoire de la

Terre.

12 Pour terminer cette partie, deux chapitres montrent que notre compréhension de

l'histoire de la Terre est loin d'être assurée. Francis Albarède décrit des hypothèses

concernant la formation du couple Terre-Lune, et l'origine de l'eau terrestre. Le dernier chapitre, dû à François Robert, met en cause certaines hypothèses en s'ap- puyant sur des recherches très subtiles sur les taux d'isotopes dans les phases successives de la formation du Système solaire. La deuxième partie est consacrée aux recherches de molécules dans l'espace. Louis Le Sergeant d'Hendecourt présente les résultats d'observations de toutes sortes de mo- lécules, et surtout de molécules prébiotiques, aussi bien dans l'espace interplanétaire que dans l'espace interstellaire. Ce constat, permis par la précision des mesures spec-

troscopiques, est attesté par les études de météorites présentées par Sylvie Derenne et

résultats qui sont une aide précieuse pour les chercheurs. Cette deuxième partie se termine par un article de Raffaele Saladino qui a obtenu, en laboratoire, la chaîne quasi déterministe des formations moléculaires organiques très complexes qu'Ernesto Di Mauro obtient de son côté dans un accélérateur de particules, et qui recoupe admirablement les observations spatiales et météoritiques. Ce dernier article clôture la deuxième partie de l'ouvrage. Ainsi la boucle se referme et nous abordons les prémisses du vivant dans la troisième partie. Cette troisième partie aborde des jalons qui mènent vers la vie. Elle se borne à illus- le développement, dans un chapitre d'Emmanuelle Javaux, et sa plasticité, en décrivant

la diversité des niches écologiques, souvent extrêmement éloignées des conditions de la

vie végétale et animale terrestres, où des organismes dites " extrêmophiles » ont pu se

développer. Cet article est signé par Pierre Nabet. Il aborde les capacités de la vie à s'adapter à des conditions extrêmes de pression et de température, ce qui explique qu'une fois créée, elle puisse subsister et entreprendre sa progression darwinienne. Cet article montre aussi que la vie a pu exister dans le cosmos ailleurs que sur terre et qu'on peut y découvrir des traces résiduelles ou des structures primitives (coacervats).

La théorisation des phénomènes biologiques est un enjeu redoutable, à cause à la fois de

leur complexité, et surtout de leur non-linéarité. Mais les mathématiciens construisent des

outils de plus en plus performants. Martine Ben Amar présente les travaux mathématiques qui, aujourd'hui, permettent d'aborder avec succès la modélisation des morphogenèses. gique et philosophique du vivant qu'Ernesto Di Mauro nous offre dans un article dont la

première partie présente ses expériences de création spontanée de molécules géantes

qui sont les prémisses de la vie. 13 FORMATION DES SYSTÈMES STELLAIRES ET PLANÉTAIRES CONDITIONS D'APPARITION DE LA VIE La dernière partie de l'ouvrage est consacrée aux recherches extraterrestres. Ces

recherches ont débuté dès le début de l'ère spatiale. Thérèse Encrenaz en décrit l'histoire

et marque des jalons pour le futur prochain. Giovanna Tinetti, spécialiste des planètes

extraterrestres, décrit les avancées récentes, dues essentiellement à la formidable capacité

des mesures spectroscopiques, et elle précise les objectifs essentiels des explorations à venir.

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C'est donc sur un message de persévérance et d'espoir que se clôture notre ouvrage. Le Président et le comité de lecture de l'AEIS 2

2 Victor Mastrangelo (CNAM-Physique/Paris et Université Paris Sud/Orsay), Président de l'Aca-

démie Européenne Interdisciplinaire des Sciences (AEIS) ; Gilbert Belaubre, (Ingénieur du Corps des

Manufactures de l'État), Ex-Président de l'AEIS, membre du comité de lecture ; Ernesto Di Mauro

(Université de Rome/La Sapienza), membre du comité de lecture ; Pierre Nabet (Université de Lor-

raine/Nancy), Président de la section de Nancy de l'AEIS, membre du comité de lecture ; Jean Schmets

(Université de Liège), membre du comité de lecture.

Première partie

Formation des systèmes

stellaires et planétaires FORMATION DES SYSTÈMES STELLAIRES ET PLANÉTAIRES CONDITIONS D'APPARITION DE LA VIE

1. Introduction

Prenons pour un moment le point de vue selon lequel l'apparition de la vie est une

des lois de l'Univers, à savoir qu'elle doit obéir à une nécessité imposée par les principes

constituants le système. Si on essaye de retracer l'origine de la vie dans cette perspective,

on est obligé de parcourir à nouveau les étapes de la constitution du système lui-même,

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